步进电动机的工作原理及特点

新疆农业高校机械交通学院

机电一体化系统设计

课程（设计）论文

题目:步进电动机的工作原理及特点____________________________________

姓名与学号：奉琦093731210_____________________________________

指导老师：郭俊先____________________________

班级与专业：机制092_____________________________________

所在学院：机械交通学院_________________________________

课程评分：_____________________________________

二零一二年月

步进电动机

【摘要】步进电动机是一种将脉冲信号变换成相应的角位移（或线性位移）的电磁装

置，是一种特殊的电动机。步进电动机由于精确性以及其良好的性能，其组成的开环系统

既简洁、廉价，又特别可行，因此在打印机等办公自动化设施以及各种掌握装置等众多领

域有着极其广泛的应用。本文内容介绍了步进电动机的工作原理及其主要特点，特性，同

时对其相关部件以及主要技术指标都有肯定介绍,以便于更好的了解步进电动机。

关键词：工作原理；特点；技术指标

刖百

随着微电子和计算机技术的进展，步进电机的需求量与日俱增,它广泛用于打印机、

电动玩具等消费类产品以及数控机床、工业机器人、医疗器械等机电产品中，其任各个国

民经济领域都有应用。讨论步进电机的掌握系统，对提高掌握精度和响应速度、节省能源

等都具有重要意义。

1步进电机概述

步进电动机又称脉冲电动机或阶跃电动机，国夕I—般称为Steppingmotor、Pulse

motor或Stepperservo,其应用进展已有约80年的历史。步进电机是一种把电脉冲信号

变成直线位移或角位移的掌握电机，其位移速度与脉冲频率成正比，位移量与脉冲数成正

比。步进电机在结构上也是由定子和转子组成，可以对旋转角度和转动速度进行高精度掌

握。当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一矢量磁场，该矢量场会带动转子旋转一角度,

使得转子的一对磁极磁场方向与定子的磁场方向一着该磁场旋转一个角度。因此，掌握电

机转子旋转实际上就是以肯定的规律掌握定子绕组的电流来产生旋转的磁场。每来一个脉

冲电压，转子就旋转一个步距角，称为一步。依据电压豚冲的安排方式，步进电机各相绕

组的电流轮番切换，在供应连续脉冲时，就能一步一步地连续转动，从而使电机旋转。步

进电机每转一周的步数相同，在不丢步的状况下运行，其步距误差不会长期积累。在非超

载的状况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变

化的影响，同时步进电机只有周期性的误差而无累积误差，精度高，步进电动机可以在宽

广的频率范围内通过转变脉冲频率来实现调速、快速起停、正反转掌握等，这是步进电动

机最突出的优点囚。

正常状况下，步进电机转过的总角度和输入的脉冲数成正比;连续输入肯定频率的脉

冲时，电动机的转速与输入脉冲的频率保持严格的对应关系，不受电压波动和负载变化的

影响。由于步进电动机能直接接收数字量的输入，所以特殊适合于微机掌握。

2国内外的讨论概况

步进电机是国外创造的。中国在文化大革命中已经生产和应用，例如江苏、浙江、北

京、南京、四川都生产，而且都在各行业使用，驱动电路全部半导体器件都是完全国产化

的，当时是全分立元器件构成的规律运算电路，还有电容耦合输入的计数器，触发器，环

形安排器。国外在大功率的工业设施驱动上，目前基本不使用大扭矩步进电动机，由于从

驱动电路的成本，效率，噪音，加速度，肯定速度，系统惯量与最大扭矩比来比较，比较

不划算，还是用直流电动机，加电动机编码器整体技术和经济指标高。一些少数高级的应

用，就用空心转杯电机，沟通电机。国外在小功率的场合,还使用步进电机，例如一些工

业器材，工业生产装备，打印机，复印件，速印机，银行自动柜员机。国外用很多现代的

手段将步进电机排挤出驱动应用，除了前面提到的旋转编码器，打印机还使用光电编码带

或感应编码带协作直流电动机，实现闭环直线位移掌握。国内过去是用大力矩步道电动机

实现机床数控，有实力的公司现在也采纳沟通电动机W动数控机床，在驱动设施的主要差

距，是国外对沟通电动机的掌握理论与工程分析和应用力量强，先进的掌握理论作为软件,

写在掌握器内部。

总的来说，步进电机是一种简易的开环掌握，对运用者的要求低，不适合在大功率的

场合使用。

在卫星、雷达等应用场合，中国在文化大革命后期，就生产了力矩电机，就生产了环

形力矩电机，在高品质的掌握场合，有时还不能使用步进电机。步进电机的细分掌握，在

改革开放初期，国内就已经基本把握，这与沟通电动机的矢量掌握相比，难度要低得多。

3步进电机的分类

步进电动机的种类很多，从广义上讲，步进电机的类型分为机械式、电磁式和组合式

三大类型。按结构特点电磁式步进电机可分为反应式(VR)、永磁式(PM)和混合式(HB)三大

类；按相数分则可分为单相、两相和多相三种。目前使用最为广泛的为反应式和混合式步

讲电机⑺°

Q)反应式步进电机(VariableReluctance，简称VR)反应式步进电机的转子是由软磁

材料制成的，转子中没有绕组。它的结构简洁，成本低，步距角可以做得很小，但动态性

能较差。反应式步进电机有单段式和多段式两种类型；

(2)永磁式步进电机(PermanentMagnet,简称PM)永磁式步进电机的转子是用永磁

材料制成的，转子本身就是一个磁源。转子的极数和定子的极数相同，所以一般步距角比

较大。它输出转矩大，动态性能好，消耗功率小(相比反应式)，但启动运行频率较低,还

需要正负脉冲供电；

(3)混合式步进电机(Hybrid,简称HB)混合式步进电机综合了反应式?口永磁式两者的

优点。混合式与传统的反应式相比，结构上转子加有永磁体，以供应软磁材料的工作点，

而定子激磁只需供应变化的磁场而不必供应磁材料工作点的耗能，因此该电机效率高，电

流小，发热低。因永磁体的存在,该电机具有较强的反电势,其自身阻尼作用比较好，使

其在运转过程中比较平稳、噪声低、低频振动小。这种电动机最初是作为一种低速驱动用

的沟通同步机设计的，后来发觉假如各相绕组通以脉冲电流，这种电动机也能做步进增量

运动。由于能够开环运行以及掌握系统比较简洁,因此这种电机在工业领域中得到广泛应

用。由于本设计的设计目的更注意整个系统的有机结合，所以只采纳反应式步进电机⑺。。

这种步进电机的应用最为广泛。

4步进电机工作原理

步进电机的工作就是步进转动，其功用是将脉冲电信号变换为相应的角位移或是直线

位移，就是给一个脉冲信号,电动机转动一个角度或是前进一步。步进电机的角位移量与

脉冲数成正比，它的转速与脉冲频率⑴成正比，在非超载的状况下,电机的转速、停止的

位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信

号，电机则转过一个步距角。

如下所示的步进电机为一四相步进电机，采纳单极性直流电源供电。只要对步进电机

的各相绕组按合适的时序通电，就能使步进电机步进转动。图4.1是该四相反应式步进电

机工作原理示意图。

图4.1四相步进电机步进示意图

开头时,开关SB接通电源，SA、SC、SD断开，B相磁极和转子0、3号齿对齐，同

时,转子的L4号齿就和C、D相绕组磁极产生错齿，2、5号齿就和D、A相绕组磁极

产生错齿。

当开关SC接通电源，SB、SA、SD断开时，由于C相绕组的磁力线和1、4号齿之间

磁力线的作用,使转子转动,1、4号齿和C相绕组的磁极对齐。而0、3号齿和A、B相

绕组产生错齿，2、5号齿就和A、D相绕组磁极产生错齿。依次类推,A、B、C、D四相

绕组轮番供电，则转子会沿着A、B、C、D方向转动。单四拍、双四拍与八拍工作方式的

电源通电时序与波形分别如图4.2所示:

脉冲jirtruinjiJLruuuLn.jTJiJTnnjTnruuuxTLjutnAnnnnjvuxnnnnr

A相_n——n——n—rrjn_ri_i

睢__n_n_n__

cw_n_n__n_

DIS_L_n_n_nn_j_i_n_r

a.单四拍b.双四拍c,八拍

图4.2步进电机工作时序波形图

5步进电动机有如下特点:

1）步进电动机的角位移与输入脉冲数严格成正比。因此，当它转一圈后，没有累计误

差,具有良好的跟随性。

2）由步进电动机与驱动电路组成的开环数控系统，既简洁、廉价，又特别牢靠，同时,

它也可以与角度反馈环节组成高性能的闭环数控系统。

3）步进电动机的动态响应快，易于启停、正反转及变速。

4）速度可在相当宽的范围内平稳调整，低速下仍能获得较大转距，因此一般可以不用

减速器而直接驱动负载。

5）步进电机只能通过脉冲电源供电才能运行，不能直接使用沟通电源和直流电源。

6）步进电机存在振凝口失步现象，必需对掌握系统和机械负载实行相应措施。

7）一般步进电机的精度为步进角的3-5%,且不累积。

8）步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，

因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；一般来讲，磁性材料

的退磁点都在摄氏130度以上，有的甚至高达摄氏200度以上，所以步进电机外表温度在

摄氏80-90度完全正常。

9）当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向

电动势越大。在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩

下降。

10）步进电机有一个技术参数：空载启动频率,即步进电机在空载状况下能够正常启动

的脉冲频率，假如脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。在有负

载的状况下，启动频率应更低。假如要使电机达到高速转动,脉冲频率应当有加速过程，

即启动频率较低，然后按肯定加速度升到所盼望的高频（电机转速从低速升到高速\

步进电动机以其显著的特点，在数字化制造时代发挥着重大的用途。伴随着不同的数

字化技术的进展以及步进电机本身技术的提高，步进电机将会在更多的领域得到应用。

6步进电机的特性

步进电机转动使用的是脉冲信号，而脉冲是数字信号，这恰是计算机所擅特长理的数

据类型。从20世纪80年月开头开发出了专用的IC驱动电路，今日,在打印机、磁盘器

等的OA装置的位置掌握中，步进电机都是不行缺少的组成部分之一。总体上说，步进电

机有如下优点：

(1)不需要反馈，掌握简洁。

(2)与微机的连接、速度掌握(启动、停止和反转)及驱动电路的设计匕啜简洁。

(3)没有角累积误差。

(4)停止时也可保持转距。

(5)没有转向器等机械部分,不需要保养，故造价较低。

(6)即使没有传感器，也能精确定位。

(7)根据给定的脉冲周期，能够以任意速度转动。但是，这种电机也有自身的缺点。

(8)难以获得较大的转矩

(9)不宜用作高速转动

(10)在体积重量方面没有优势，能源采用率低。

(11)超过负载时会破坏同步，高速工作时会发出振动和噪声。

7步进电机的驱动介绍

步进电机不能直接接到交直流电源上工作，而必需使用专用设施——步进电机驱动器.

步进电利场区动系统的性能，除与电力库身的性能有关外，也在很大程度上取决于驱动器的

优劣。典型的步进电棚区动系统是由步进电机掌握器、步进电机^动器和步进电机本体三

部分组成。步进电机掌握器发出步进脉冲和方向信号，每发一个脉冲，步进电机^动器驱

动步进电机转子旋转一个岁距角，即步进一步。步进电机转速的凹凸、升速或降速、启动

或停止都完全取决于脉冲的有无或频率的凹凸。掌握器的方向信号打算步进电机的顺时针

或逆时针旋转。通常，步进电机驱动器由规律掌握电路、功料区动电路、爱护电路和电源

组成。步进电棚区动器一旦接收到来自掌握器的方向信号和步进脉冲，掌握电路就按预先

设定的电机通电方式产生步进电机各相励磁绕组导通或截止信号。掌握电路输出的信号功

率很低，不能供应步进电机所需的输出功率，必需进行功率放大，这就是步进电棚区动器

的功率驱动部分。功率驱动电路向步进电机掌握绕组输入电流，使其励磁形成空间旋转磁

场，驱动转子运动。爱护电路在消失短路、过载、过热等故障时快速停止驱动器和电机的

运行。

8主要技术指标

步进电机主要的技术指标有：

1)步距角指每给一个电脉冲信号电动机转子所应转过的角度的理论值。目前国产商品

化步进电机常用步距角为：0.36、0.6、0.72、0.75、0.9、1.2、1.5、1.8、2.25、3.6、4.5

度等。

2）齿距角相邻两齿中心线间的夹角，通常定子和转子具有相同的齿距角。

3）失调角失调角是指转子偏离零位的角度。

4）精度步进电机的精度有两种表示方法，一种用步距误差最大值来表示，另一种用步

距累计误差最大值来表示。最大步距误差是指电动机旋转一周内相邻两步之间的最大步距

角和抱负步距角的差值，月抱负步距的百分数表示。最大累计误差是指任意位置开头经过

任意步之间，角位移误差的最大值。

5）转矩步进电机转矩是